Appunti completi di Efficienza enegetica dei sistemi insediativi

Efficienza energetica dei sistemi insediativi

Introduzione al corso

E.V. Politecnico di Torino 2016-7

Non esiste un testo di riferimento. L’obbiettivo didattico è quello di far acquisire conoscenze dei fenomeni ambientali e di carattere energetico ed acustico.

I contenuti del corso:

• Clima e come questo caratterizza l'interazione tra l'ambiente esterno e gli insediamenti.
• Fondamenti di energetica: le forme di energia, i principi di conservazione.
• Fonti di energia non rinnovabili e rinnovabili (in particolare solare e idroelettrico).
• Tecnologie rinnovabili, cogenerazione e teleriscaldamento.
• Acustica: il suono e l'inquinamento acustico, i piani di zonizzazione acustica.
• Illuminazione: come si percepisce e il piano regolatore dell'illuminazione comunale.

Si cercherà di fare alcune piccole esercitazioni, per applicare gli argomenti studiati.

Modalità d’esame

Le esercitazioni sono fatte da lavori di gruppo (non sono obbligatorie). Le esercitazioni andranno consegnate il mercoledì mattina entro le 10.

La prof. preferisce che l’esame sia dato nella sessione estiva, se consegniamo in quella sessione:

• Al voto d’esame vengono aggiunti i voti delle esercitazioni, per un massimo di 5 punti.
• Parte scritto di teoria di base a scelta multipla. Lo scritto vale massimo 24/30.
• Per arrivare al 30 va fatto l’orale (che non è obbligatorio).

Se non si dà nella sessione estiva invece:

• Scritto con voto massimo di 24/30.
• Scritto e orale con presentazione esercitazione.
• Scritto e orale con almeno tre domande di teoria sugli argomenti trattati durante il corso.
• Non contano i 5 punti delle esercitazioni.

Nello scritto toglie punti nelle domande sbagliate.

Il clima

E.V. Politecnico di Torino 2016-7

Il clima è una delle variabili che più influenza la forma degli edifici e delle città, i materiali utilizzati e gli spazi esterni.

Esistono però più scale territoriali:

Macroclima

È il clima di una zona geografica molto estesa (in Italia siamo in quello temperato). Si parla di un clima che interessa una zona geografica molto estesa, ma che ha caratteristiche comuni per quanto riguarda insolazioni, temperature, nuvolosità, precipitazioni, umidità. Il clima temperato è il più complicato, perché fa freddo d’inverno e caldo d’estate.

Mesoclima

Caratterizza una zona geografica più limitata, caratterizzata da un certo territorio, dalla vegetazione, topografia, acqua e geomorfologia. Esempio è la differenza tra Toronto (più mite) e Montreal (più rigida), nonostante siano molto vicine.

Microclima

È il clima che ho a livello locale, in una zona più piccola. È fortemente caratterizzato dall’attività antropica dell’uomo.

Parametri climatici: servono per valutare il clima di un luogo:

• Radiazione solare
• Temperatura
• Vento
• Umidità relativa
• Precipitazioni

Radiazione solare

È quel flusso di energia che arriva per irraggiamento dal Sole verso la Terra. Il Sole emette onde elettromagnetiche che arrivano fino alla Terra, riscaldandola. Poiché è un corpo ad alta temperatura (6000°C) emette principalmente radiazioni a bassa lunghezza d’onda.

Abbiamo gli ultravioletti, il visibile e gli infrarossi (che sono quelle che portano il calore e la luce). L’energia che arriva sulla Terra dipende dalla massa d’aria che le radiazioni solari devono attraversare per arrivare sulla Terra, cioè dallo strato d’atmosfera che deve attraversare. La quantità di costante solare extra-atmosferica (ad una distanza uguale tra il Sole e la Terra) è 1367 W/M².

Le radiazioni solari possono essere divise in tre categorie:

• Radiazione diretta: che arriva sulla Terra in modo diretto.
• Radiazione diffusa: avviene quando c’è il cielo coperto. L’irradiazione viene assorbita dalle molecole nell’atmosfera e diffusa da esse.
• Radiazione riflessa: una parte delle radiazioni viene riflessa dal terreno e dagli edifici. Questa componente è detta “albedo”. Questa è legata al tipo di materiale (per esempio è il 13% in bitume e arriva al 60% in edifici chiari).

La somma di queste componenti dà le radiazioni solari che arrivano in un punto.

Lezione 2

Continuazione radiazioni solari

L’irradianza solare diretta è più forte rispetto a quella indiretta. Le radiazioni solari sono influenzate da:

• Posizione del Sole rispetto alla superficie:
  • Declinazione solare: angolo che si ha tra il Sole e la Terra rispetto al piano dell’equatore
  • Ora del giorno
  • Latitudine e longitudine del luogo
  • Orientamento della superficie
• Strato fisico degli strati atmosferici:
  • Presenza di formazioni nuvolose
  • Particelle disperse in atmosfera: umidità relativa, polveri, CO₂

Questi dati invece dipendono dalla localizzazione e dai dati climatici, potrò quindi prevederli con un certo margine d’errore.

Posizione del Sole durante l’anno

Quando la Terra è più lontana dal Sole abbiamo i solstizi, mentre quando è nel punto più vicino al Sole ci sono gli equinozi. La Terra inoltre gira su sé stessa e il suo asse terrestre è inclinato di 23,5°. Questo spiega anche perché quando nell’emisfero nord è inverno, in quello sud è estate, e viceversa.

Posizione del Sole nella volta celeste

Si creerà una calotta virtuale sulla Terra e su cui si tracceranno le orbite del Sole. I dati necessari per fare ciò sono:

• Altezza del Sole: quando nasce (ad est) e tramonta (a ovest) è all’angolo 0, è nel punto di massima altezza alle ore 12:00.
• Angoli fondamentali: sono quello della latitudine (nord-sud) e della longitudine (est-ovest). Per definire la longitudine si utilizzano i meridiani di riferimento. Grazie poi all’altezza solare e all’angolo azimutale posso calcolare la posizione esatta Sole-Terra.
• Inclinazione ed orientamento della superficie di riferimento: formato da Azimut della superficie (orientamento della mia superficie) e dalla inclinazione della superficie.

Metodi grafici

Dette carte solari, sono un altro metodo per calcolare la posizione del Sole. Sono una rappresentazione bidimensionale dei percorsi solari. Noteremo come durante le diverse stagioni dell’anno ci siano diverse orbite. Si legge con cerchi concentrici attorno al punto di osservazione (per definire l’altezza del Sole), l’azimut rispetto alla direzione nord-sud e asse ovest-est. Per definire questi percorsi, vengono tracciati il 21 di ogni mese, in cui (ad eccezione dei solstizi) i percorsi si sovrappongono. Avremo perciò solo 7 percorsi e non 12. Oltre a questi tracciati abbiamo delle linee che indicano le ore del giorno, potendo così ottenere questo dato.

La carta solare serve principalmente per lo studio delle ombre, perché mi dà solo la posizione del Sole. Ci sono poi una serie di grafici che possono essere integrati alle carte solari che servono a individuare la quantità di irradiazione solare. Queste carte si sovrappongono semplicemente alla nostra carta e si usano tenendo conto dell’esposizione della superficie di studio.

Altre influenze sulle radiazioni solari

• Composizione dell’atmosfera (torbidità): cioè la quantità di aerosol (particelle sospese) che le radiazioni devono attraversare.
• Ostruzioni fisiche e topografiche: rappresentate dalla topografia, vegetazione ed edifici.

Relazione tra radiazione solare e orientamento superficie

Abbiamo ad esempio che su un tetto piano orizzontale l’esposizione aumenta a luglio e poi decresce. Lo stesso accade a est-ovest e a nord. A sud invece questa cresce un po’ in primavera, decresce dopo e ricresce a ottobre. In questo orientamento infatti la radiazione solare è più costante (questo è importante per esempio per l’esposizione del fotovoltaico).

Andamento giornaliero a diverse latitudini

Mentre la differenza delle radiazioni solari tra nord e sud Italia è maggiore durante l’estate, si riduce durante l’inverno.

Atlante solare

Esiste un sito dove scaricare le radiazioni solari medie di tutta l’Europa. L’ENEA ha poi un portale italiano per calcolare le irradiazioni solari in punti esatti di coordinate (Atlante italiano della radiazione solare). Altro sito è il Join Research Centre (interessante perché mostra anche i rilievi).

Normativa UNI 10349:1994

È una normativa che fornisce i dati climatici per il calcolo climatico degli edifici, da poco aggiornata al 2016.

GIS: Area solar radiation

È possibile calcolare le radiazioni solari con i programmi GIS, grazie allo strumento di analisi “Area Solar Radiation”.

Temperatura dell’aria

L’aria viene riscaldata per via indiretta:

• Per irraggiamento ad elevata lunghezza d’onda dal terreno.
• Per convezione con il terreno: le radiazioni solari scaldano il terreno, che scalda l’aria.
• Per processi di condensazione e successivo congelamento del vapore acqueo, con cessione all’aria dei calori di evaporazione e liquefazione.

Se mettiamo su un grafico dell’irraggiamento solare e la temperatura dell’aria vediamo come queste non coincidano, sono traslate di un mese (la temperatura minima è a gennaio, l’irraggiamento minimo è a dicembre).

Fattori di influenza a scala mesoclimatica e microclimatica

Topografica

• Altezza sul livello del mare
• Depressioni e avvallamenti

Superficie del terreno

• Inerzia termica (capacità della superficie di assorbire il calore e rilasciarlo dopo un certo periodo)
• Tipo di coperture e colore (assorbimento e riflessione immediata)

Localizzazione

• Area rurale o urbana

Isola di calore

È un fenomeno che forma una cappa intorno ai centri urbani. All’interno di questa cappa si crea un surriscaldamento che aumenta avvicinandosi al centro cittadino. La temperatura in queste zone aumenta anche di 5°C.

Il vento

I venti sono movimenti di grandi masse d’aria. Esso è caratterizzato da una velocità dell’aria, una direzione di provenienza e la frequenza con la quale il vento assume una certa direzione. Grazie alla rosa dei venti è possibile individuare tutti questi tre fattori. La grandezza del pallino centrale indica la percentuale di “calma”.

Influenze del vento

Il vento è influenzato dalla Topografia:

• Sottoesposizioni e sovraesposizioni
• Brezza di terra e brezze di mare
• Brezze di fondovalle e brezze di cima

Velocità del vento

È influenzata dalla rugosità del terreno e l’altezza. La crescita in altezza del vento dipende dalla presenza o meno degli edifici. Più questi sono alti e più sarà in alta quota la velocità del vento massima. Per questo motivo la velocità del vento viene normalmente calcolata in luoghi aperti, come gli aeroporti. Questo dato si moltiplica poi per un coefficiente di rugosità del terreno.

A scala microclimatica il vento è influenzato da:

• Vegetazione
• Edifici
• Barriere anti-vento

Atlante eolico italiano

È un atlante che ci permette di leggere la velocità del vento in tutta Italia. Si nota come a livello del mare la velocità del vento è maggiore, perché non si sono ostacoli.

L’aria umida

Psicometria: studio dell’aria umida. L’aria umida è una miscela formata da due componenti: Aria secca (insieme di componenti che non condensano) e il vapore d’acqua (componente condensabile). L’umidità relativa viene definita tra il rapporto dalla massa di vapore contenuta nella aria secca e la massa di vapore massima che può essere contenuta nell’aria secca in condizioni di saturazione, alla stessa temperatura.

Umidità specifica

È il rapporto tra la massa di vapore e la massa d’aria secca. La quantità di vapore d’acqua che può essere contenuta nell’aria varia con la temperatura. Diagramma di Mollier: è un diagramma che individua lo stato dell’aria umida. In particolare, la quantità di vapore d’acqua aumenta all’aumentare della temperatura. Sull’asse X c’è il titolo dell’aria, mentre sull’asse Y trovo la temperatura. L’aria (in condizioni di saturazioni) a 0°C contiene meno vapore d’acqua di una 20°C. Per esempio a 0°C è 4 grammi di vapore d’acqua a 20°C è a 15 grammi. L’umidità specifica è quindi diversa da quella relativa.

Metodi di analisi e raccolta dei dati climatici

Anni tipo

Con le diverse località si utilizzano gli anni tipo. Questi sono delle serie storiche di dati climatici, costruiti sulla base della temperatura media degli ultimi 20 anni, indicata in base mensile.

L’anno tipo si costruisce scegliendo le caratteristiche climatiche mensili i cui dati si avvicinano di più a quella degli ultimi 20 anni. Questi anni tipo sono perciò costituiti da mesi degli anni diversi. Quindi potrò avere degli scalini e non terrò conto della velocità del vento e dell’umidità relativa.

Temperatura medie mensili

Corrisponde al valore medio mensile.

Temperatura di progetto

Sono quelle temperature alla quale gli impianti devono poter funzionare (per il riscaldamento è la temperatura minima, per il condizionamento quella di un giorno tipo estivo). Per il giorno tipo estivo avrò un grafico della temperatura giornaliero, conoscendo l’escursione termica e la temperatura massima, potrò calcolare a tutte le ore, qual è la temperatura (conoscendo il fattore di temperatura che è sempre lo stesso).

Gradi giorno

Sono quella grandezza climatica che serve a valutare la quantità di energia per riscaldare gli edifici. Si calcolano per una certa città, su tutti i giorni di riscaldamento, una sommatoria tra la temperatura di riferimento (20°C) e la temperatura media giornaliera. Più la temperatura sarà bassa e maggiore sarà la spesa del riscaldamento. L’Italia è suddivisa in 6 zone climatiche, in funzione dei gradi giorno.

Lezione 3

Continuazione gradi giorno

A Torino sono presenti 7 stazioni climatiche ARPA, sia in centro che periferia. Ci sono grandi differenze di temperature da una stazione all’altra, fino a 4°C. Andando sul sito ARPA Piemonte è possibile cercare i dati aggiornati.

Progettazione bioclimatica

È una progettazione di edifici che tiene conto del contesto in cui sono inseriti. Si nota infatti come già solo in Italia, le varie città sono diverse. Questo perché le costruzioni sono state influenzate dai materiali disponibili, stili di vita... Questo è anche importante perché così facendo si costruiscono città più sostenibili, dato che le attività energetiche producono inquinamento.

Progettazione urbana in base al tipo di clima

Nei criteri di progettazione è perciò fondamentale il clima.

Scala macroclimatica

Tropicale umido, arido, temperato, freddo e polare. Mentre i climi tropicali e aridi sono sempre caldi e quelli freddi e polari sono sempre freddi, quello temperato ha le entrambe stagioni e ciò rende più complicato gestire la situazione.

Caratteristiche degli ambienti urbani nei macroclimi

Clima freddo: È caratterizzato da temperature molto basse durante l’inverno, che però possono essere anche molto alte durante l’estate. Ho perciò temperature molto variabili, con scarsa radiazione solare invernale e possibile alta radiazione solare estiva. Ho inoltre dei venti freddi che arrivano da nord. Il vento è inoltre accompagnato dalla pioggia, che porta all’aumento di umidità e al conseguente aumento della percezione del freddo.

Nel clima freddo perciò si cerca di posizionare le città ed edifici in modo da ottenere il massimo irraggiamento solare, normalmente a Sud, Sud-Est. Viene preferita la parte medio-inferiore del pendio. La struttura urbana è caratterizzata da una forma il più possibile compatta, permettendo di evitare i venti e le dispersioni termiche. Si favorisce anche l’effetto canyon, che aumenta la temperatura anche di 3-4°C. Viene sfruttata la vegetazione: le piante sempreverdi per limitare i venti freddi, mentre le caducifoglie per favorire l’irradiazione solare.

Gli edifici sono perciò compatti, normalmente condomini, esposti sull’asse est-ovest, con colori medi. Colori scuri invece sono utilizzati per gli spazi urbani.

Clima caldo-secco: Abbiamo temperature calde con livelli di umidità bassi. Abbiamo temperature elevate di giorno, che però possono scendere molto la notte. Si utilizza un’esposizione Sud-Est, Est; limitando così l’esposizione durante le ore più calde. Si sceglie la base del pendio, per intercettare l’aria ancora fresca. La struttura urbana garantisce degli spazi urbani a microclima controllato, cioè con isolati a corte privata interne, che garantiscono spazi ombreggiati. Si sfrutta molto la presenza di vegetazione che fornisce ombra e fresco.

Le case sono dette a “patio”, cioè chiuse con un cortile interno, ciò è anche legato alla cultura, in cui normalmente si vive all’interno. Gli edifici sono massicci, cioè privi di aperture. Questo permette esposizione ridotta e ombreggi.